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關(guān)鍵詞 量子物理；現(xiàn)代信息技術(shù)；關(guān)系；原理應用
中圖分類號：O41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）15-0001-02
量子物理是人們認識微觀世界結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的科學，它的建立帶來了一系列重大的技術(shù)應用，使社會生產(chǎn)和生活發(fā)生了巨大的變革。量子世界的奇妙特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量等方面發(fā)揮重要的作用，基于量子物理基本原理的量子信息技術(shù)已成為當前各國研究與發(fā)展的重要科學技術(shù)領(lǐng)域。
隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達到物理極限，同時信息安全、隱私問題等越來越突出。2013年5月美國“棱鏡門”事件的爆發(fā)，引發(fā)了對保護信息安全的高度重視，將成為推動量子物理科學與現(xiàn)代信息技術(shù)的交融和相互促進發(fā)展的契機。因此，充分認識量子物理學的基本原理在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展的基礎(chǔ)地位與作用，是促進現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的前提，也是豐富和發(fā)展量子物理學的需要。
1 量子物理基本原理
1）海森堡測不準原理。在量子力學中，任何兩組不可同時測量的物理量是共扼的，滿足互補性。在進行測量時，對其中一組量的精確測量必然導致另一組量的完全不確定，只能精確測定兩者之一。
2）量子不可克隆定理。在量子力學中，不能實現(xiàn)對各未知量子態(tài)的精確復制，因為要復制單個量子就只能先作測量，而測量必然改變量子的狀態(tài)，無法獲得與初始量子態(tài)完全相同的復制態(tài)。
3）態(tài)疊加原理。若量子力學系統(tǒng)可能處于和描述的態(tài)中，那么態(tài)中的線性疊加態(tài)也是系統(tǒng)的一個可能態(tài)。如果一個量子事件能夠用兩個或更多可分離的方式來實現(xiàn)，那么系統(tǒng)的態(tài)就是每一可能方式的同時迭加。
4）量子糾纏原理。是指微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子狀態(tài)隨即發(fā)生相應變化。換言之，存在糾纏關(guān)系的粒子無論何時何地，都能“感應”對方狀態(tài)的變化。
2 量子物理與現(xiàn)代信息技術(shù)的關(guān)系
2.1 量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)與先導
物理學一直是整個科學技術(shù)領(lǐng)域中的帶頭學科并成為整個自然科學的基礎(chǔ)，成為推動整個科學技術(shù)發(fā)展的最主要的動力和源泉。量子力學是20世紀初期為了解決物理上的一些疑難問題而建立起來的一種理論，它不僅解釋了微觀世界里的許多現(xiàn)象、經(jīng)驗事實，而且還開拓了一系列新的技術(shù)領(lǐng)域，直接導致了原子能、半導體、超導、激光、計算機、光通訊等一系列高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。可以說，從電話的發(fā)明到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的實時通信，從晶體管的發(fā)明到高速計算機技術(shù)的成熟，量子物理開辟了一種全新的信息技術(shù)，使人類進人信息化的新時代，因此，量子物理學是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的主要源泉，而且隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，量子物理學的先導和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要。
2.2 量子物理為現(xiàn)代信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供新的原理和方法
現(xiàn)代信息技術(shù)本質(zhì)上是應用了量子力學基本原理的經(jīng)典調(diào)控技術(shù)，隨著世界科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，以經(jīng)典物理學為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達到物理極限。因此，現(xiàn)代信息技術(shù)的突破，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展必須借助于新的原理和新的方法。量子力學作為原子層次的動力學理論，經(jīng)過飛速發(fā)展，已向其他自然科學的各學科領(lǐng)域以及高新技術(shù)全面地延伸，量子信息技術(shù)就是量子物理學與信息科學相結(jié)合產(chǎn)生的新興學科，它為信息科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了新的原理和方法，使信息技術(shù)獲得了活力與新特性，量子信息技術(shù)也成為當今世界各國研究發(fā)展的熱點領(lǐng)域。因此，未來的信息技術(shù)將是應用到諸如量子態(tài)、相位、強關(guān)聯(lián)等深層次量子特性的量子調(diào)控技術(shù)，充分利用量子物理的新性質(zhì)開發(fā)新的信息功能，突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限。
2.3 現(xiàn)代信息技術(shù)對量子物理學發(fā)展的影響
量子信息技術(shù)應用量子力學原理和方法來研究信息科學，從而開發(fā)出現(xiàn)經(jīng)典信息無法做到的新信息功能，反過來，現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展大大地豐富了量子物理學的研究內(nèi)容，也將不斷地影響量子物理學的研究方法，有力地將量子理論推向更深層次的發(fā)展階段，使人類對自然界的認識更深刻、更本質(zhì)。近年來，隨著量子信息技術(shù)領(lǐng)域研究的不斷深入，量子信息技術(shù)的發(fā)展也使量子物理學研究取得了不少成果，如量子關(guān)聯(lián)、基于熵的不確定關(guān)系、量子開放系統(tǒng)環(huán)境的控制等問題研究取得了巨大進展。
3 基于量子物理學原理的量子信息技術(shù)
基于量子物理原理和方法的量子信息技術(shù)成為21世紀信息技術(shù)發(fā)展的方向，也是引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。當前量子物理學的基本原理已經(jīng)在量子密碼術(shù)、量子通信、量子計算機等方面得到充分的理論論證和一定的實踐應用。
3.1 量子計算機——量子疊加原理
經(jīng)典計算機建立在經(jīng)典物理學基礎(chǔ)上，遵循普通物理學電學原理的邏輯計算方式，即用電位高低表示0和1以進行運算，因此，經(jīng)典計算機只能靠以縮小芯片布線間距，加大其單位面積上的數(shù)據(jù)處理量來提高運算速度。而量子計算遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息。計算方式是建立在微觀量子物理學關(guān)于量子具有波粒兩重性和雙位雙旋特性的基礎(chǔ)上，量子算法的中心思想是利用量子態(tài)的疊加態(tài)與糾纏態(tài)。在量子效應的作用下，量子比特可以同時處于0和1兩種相反的狀態(tài)（量子疊加），這使量子計算機可以同時進行大量運算，因此，量子計算的并行處理，使量子計算機實現(xiàn)了最快的計算速度。未來，基于量子物理原理的量子計算機，不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積會大大縮小。
3.2 量子通信——量子糾纏原理
量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型通信方式。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。從信息學上理解，量子通信是利用量子力學的量子態(tài)隱形傳輸或者其他基本原理，以量子系統(tǒng)特有屬性及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞；從物理學上講，量子通信是采用量子通道來傳送量子信息，利用量子效應實現(xiàn)的高性能通信方式，突破現(xiàn)代通信物理極限。量子力學中的糾纏性與非定域性可以保障量子通信中的絕對安全的量子通信，保證量子信息的隱形傳態(tài)，實現(xiàn)遠距離信息轉(zhuǎn)輸。所以，與現(xiàn)代通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c，量子通信創(chuàng)建了新的通信原理和方法。
3.3 量子密碼——不可克隆定理
經(jīng)典密碼是以數(shù)學為基礎(chǔ)，通過經(jīng)典信號實現(xiàn)，在密鑰傳送過程中有可能被竊聽且不被覺察，故經(jīng)典密碼的密鑰不安全。量子密碼是一種以現(xiàn)代密碼學和量子力學為基礎(chǔ)，利用量子物理學方法實現(xiàn)密碼思想和操作的新型密碼體制，通過量子信號實現(xiàn)。量子密碼主要基于量子物理中的測不準原理、量子不可克隆定理等，通信雙方在進行保密通信之前，首先使用量子光源，依照量子密鑰分配協(xié)議在通信雙方之間建立對稱密鑰，再使用建立起來的密鑰對明文進行加密，通過公開的量子信道，完成安全密鑰分發(fā)。因此量子密碼技術(shù)能夠保證：
1）絕對的安全性。對輸運光子線路的竊聽會破壞原通訊線路之間的相互關(guān)系，通訊會被中斷，且合法的通信雙方可覺察潛在的竊聽者并采取相應的措施。
2）不可檢測性。無論破譯者有多么強大的計算能力，都會在對量子的測量過程中改變量子的狀態(tài)而使得破譯者只能得到一些毫無意義的數(shù)據(jù)。因此，量子不可克隆定理既是量子密碼安全性的依靠，也給量子信息的提取設(shè)置了不可逾越的界限，即無條件安全性和對竊聽者的可檢測性成為量子密碼的兩個基本特征。
4 結(jié)論
量子物理是現(xiàn)代信息技術(shù)誕生的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代信息技術(shù)突破物理極限，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的動力與源泉。基于量子物理學的原理、特性，如量子疊加原理、量子糾纏原理、海森堡測不準原理和不可克隆定理等，使得量子計算機具有巨大的并行計算能力，提供功能更強的新型運算模式；量子通信可以突破現(xiàn)代信息技術(shù)的物理極限，開拓出新的信息功能；量子密碼絕對的安全性和不可檢測性，實現(xiàn)了絕對的保密通信。隨著量子物理學理論在信息技術(shù)中的深入應用，量子信息技術(shù)將開拓出后莫爾時代的新一代的信息技術(shù)。
參考文獻
[1]陳楓.量子通信：劃時代的嶄新技術(shù)[N].報，2011.
[2]曾謹言.量子物理學百年回顧[J].北京大學物理學科90年專題特約專稿，2003（10）.
[3]李應真，吳斌.物理學是當代高新技術(shù)的主要源泉[J].學術(shù)論壇，2012.
[4]董新平，楊綱.量子信息原理及其進展[J].許昌學院學報，2007.
[5]周正威，陳巍，孫方穩(wěn)，項國勇，李傳鋒.量子信息技術(shù)縱覽[J].中國科學，2012（17）.
[6]郭光燦.量子信息技術(shù)[J].中國科學院院刊，2002（5）.
[7]朱煥東、黃春暉.量子密碼技術(shù)及其應用[J].國外電子測量技術(shù)，2006（12）.
[關(guān)鍵詞]量子；特性；意識；應用
中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0298-01
一、量子的基本知識
1、量子
我們在物理學中提到“量子”時，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向，也就是可觀測的物理量都在不連續(xù)地變化。？比如，我們說一個“光量子”，是因為單個光量子的能量是光能變化的最小單位，光的能量是以單個光量子的能量為單位一份一份地變化的。對于量子的種種特性，連不少科學家都為之迷惑，對于我們普通人來說自然更加高深。今天我就試著走近它，來發(fā)現(xiàn)她“幽靈”般的的魅力。
2、量子的特性
量子的奇妙之處首先在于它的奇妙特性――量子疊加和量子糾纏。
量子疊加就是說量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)，因此，對物質(zhì)的測量意味著擾動，會改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)。好比孫悟空的分身術(shù)， 孫悟空可能同時出現(xiàn)在幾個地方，他的各個分身就像是他的疊加態(tài)。在日常生活中，我們不可能在不同的地方同時出現(xiàn)，但在量子世界里它卻可以同時出現(xiàn)在多個不同的地方。”
而所謂的量子糾纏，則意味著兩個糾纏在一起的量子就像有心電感應的雙胞胎，不管兩個人的距離有多遠，當哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。“如果這兩個光量子呈糾纏態(tài)的話，哪怕是千公里量級或者更遠的距離，還是會出現(xiàn)遙遠的點之間的詭異互動，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。科學家就可以利用這種效應將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子糾纏的廣泛應用將會改變我們的生活，真正地突破時空的局限，交通、物流也就不再會有時間與空間的阻礙了。我國發(fā)射的“墨子號”量子衛(wèi)星昭示著我國在量子通信領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先的地位。
二、意識是量子力學現(xiàn)象
人們的意識一直都沒有搞清楚，用經(jīng)典物理學的電學、磁學及力學方法去測量意識是測量不出來的，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開始認識到了意識是種量子力學的現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。為什么這么說呢？比如我們面前出現(xiàn)了一座房子，這時有兩種可能的狀態(tài)：一個沒有任何心思的人會看房非房，他的意識處于自由的狀態(tài)，沒看到房子是石頭的還是木頭的，他根本就不動念頭。意識也是這樣，如果你看到這座房子，一下子動念頭了，動念頭實質(zhì)上就是作了測量。
客觀世界是一系列復雜念頭造成的。有一本非常著名的書叫《皇帝新腦》， 就是研究意識，他認為計算機僅僅是邏輯運算，不會產(chǎn)生直覺，直覺只能是量子系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生，意識是種量子力學現(xiàn)象，意識的念頭像量子力學的測量。而人的大腦有直覺，也就是說人的意識不僅存在于大腦之中，也存在于宇宙之中，量子糾纏告訴我們，一定有個地方存在著人的意識。
三、量子技術(shù)的應用
科學家認為，量子糾纏是一種 “神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實際上，量子糾纏還有很多奇妙的應用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。量子技術(shù)已經(jīng)成為一個新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。這其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子生物學是目前的方向。
1、量子通信
量子通信就是通過把量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，利用量子調(diào)控技術(shù)，確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度。 廣義地說，量子通信是指把量子態(tài)從一個地方傳送到另一個地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)，量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義地說，實際上只是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信，解決了以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機信息技術(shù)極易遭遇泄密的問題。
2、量子計算
量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力，源自于對真實物理系統(tǒng)的模擬。模擬多粒子系統(tǒng)的行為時，當需要模擬的粒子數(shù)目很多時，一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當漫長。而如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的量子計算機來模擬量子現(xiàn)象則運算時間可大幅度減少，從此量子計算機的概念誕生。
3、量子成像
量子成像是從利用量子糾纏原理開始發(fā)展起來的一種新的成像技術(shù)，有一種比較奇妙的現(xiàn)象稱之為“鬼成像”。比如將糾纏的雙光子分別輸入兩個不同的光學系統(tǒng)中，在其中一個系統(tǒng)里放入待成像的物體，通過雙光子關(guān)聯(lián)測量，在另一個光學系統(tǒng)中能再現(xiàn)物體的空間分布信息。即與經(jīng)典光學成像只能在同一光路中得到物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的成像。
4、量子生物學
量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法來研究生命物質(zhì)和生命過程的學科。薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機分子，遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想由脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發(fā)展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。
愛因斯坦相對論指出：相互作用的傳播速度不會大于光速，可是對于分開很遠距離的兩個處于糾纏態(tài)中的粒子，當對一個粒子進行測量時，另一個粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系已經(jīng)發(fā)生了變化，這種傳輸?shù)睦碚撍俣瓤梢赃h遠超過光速。這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。量子糾纏是量子物理學里最稀奇古怪的東西，即使腦洞大開我們還是很難領(lǐng)會它，另外從常識角度來看，量子理論描述的自然界很荒謬，許多解釋還涉及到哲學問題。但另一方面，量子物理學有很廣泛的應用，它的發(fā)展可能帶來行業(yè)面貌的改變，所涉及的范圍從量子計算機到人工智能，無所不含，這也正是我們深入學習、研究量子物理的動力所在啊！
參考文獻
[1] 薛定諤，生命是什么.
[2] 舒娜，量子糾纏技術(shù)與量子通信.
[3] 尼古拉.吉桑著，周榮庭譯，跨越時空的骰子.
[4] 中國科普博覽.
[5] 科普中國.
自1982年理查德·費曼（Richard Feynman）提出“量子計算機”的概念之后，人們對它頗為關(guān)注，眾多研究機構(gòu)更是試圖借此開辟計算機時代的新紀元。但是，任憑人們千呼萬喚、前赴后繼，都沒能夠徹底揭開量子計算機的面紗。那么，量子計算機到底發(fā)展到了什么樣的階段？遇到了什么障礙？此次諾貝爾獎會對量子計算機的研發(fā)起到什么推動作用？量子計算機一旦面世，隨之而來的會是什么？
量子計算機是大勢所趨
所謂量子計算機，簡單來說就是利用量子攜帶信息、存儲數(shù)據(jù)，遵循量子算法進行高速的數(shù)學和邏輯運算的物理設(shè)備。我們熟知的傳統(tǒng)計算機的“心臟”依賴的是硅芯片，但是一個芯片的面積總是有限的。
硅晶體管作為在芯片上傳輸信息、處理信息的微型開關(guān)，每年都在縮小，但是，由于硅的特性和物理原理，尺寸縮小（現(xiàn)已達到納米級）將限制性能的提升。所以，對晶體管進行傳統(tǒng)的尺寸的擴展和收縮操作，不能再產(chǎn)生行業(yè)已經(jīng)習慣的更低功耗、更低成本、更高速度的處理器的效果。雖然英特爾的22納米處理器已經(jīng)面世，還計劃于2013年推出14納米處理器，對于10nm、7nm以及5nm的制程研發(fā)路線圖也已敲定，但是，只要粒子的尺度到了10的負10次方米以下，就會明顯出現(xiàn)量子特性，所以大部分物理學家堅持認為，摩爾定律不可能無限維持。
為了突破這道瓶頸，
IBM一直致力于研發(fā)碳納米管芯片，其研究人員在一個硅芯片上放置了1萬多個碳納米晶體管，從而能夠獲得比硅質(zhì)器件更快的運行速度。IBM聲稱這一成果有望讓摩爾定律在下一個十年中繼續(xù)生效。但是，如何獲得高純度的碳、如何實現(xiàn)完美的制造工藝又是不可避免的問題。
因為量子計算機是利用量子攜帶信息的，所以，傳統(tǒng)計算機面臨的挑戰(zhàn)恰恰是量子計算機的優(yōu)勢所在。量子計算機中的每個數(shù)據(jù)由不同粒子的量子狀態(tài)決定，根據(jù)量子力學原理，粒子的量子狀態(tài)是不同量子狀態(tài)的疊加。所以，量子計算機計算時采用的量子比特在同一時間內(nèi)能夠呈現(xiàn)出多種狀態(tài)——既可以是1也可以是0，傳統(tǒng)計算機在運算中采用的傳統(tǒng)比特在特定時間內(nèi)只能代表一個狀態(tài)——1或者0。這就是量子計算機與傳統(tǒng)計算機最大的不同之處。由于量子疊加狀態(tài)的不確定性，量子計算可以同時進行大量運算，它的潛在應用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，進行任務最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學問題。所以，量子計算機是大勢所趨。
實現(xiàn)方案眾多
量子計算機以其獨特的運算邏輯和強大的運算性能吸引了無數(shù)研究機構(gòu)和科學家對其進行研究，也相繼取得了一些成果。量子計算機以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，所以研制量子計算機，關(guān)鍵在于成功操控單個量子。相信大家一定對“薛定諤的貓”這一理論并不陌生，關(guān)在密閉籠子里的貓，由于量子狀態(tài)的不確定性，人們永遠不知道它是活著還是死亡。所以，處于宏觀世界的我們?nèi)绾尾拍軌蛴行Р倏匚⒂^世界的粒子，是極大的難題。從理論上講，量子計算機有幾十種體系，從實驗上也有十幾種實現(xiàn)方法。
阿羅什帶領(lǐng)他的團隊利用微米量級的高反射光學微腔實現(xiàn)了單個原子輻射光子的操作；瓦恩蘭的團隊則利用可結(jié)合激光冷卻技術(shù)，在離子阱中實現(xiàn)了單個離子的囚禁；IBM的托馬斯·沃森研究中心組建了一支龐大的研究團隊，依賴耶魯大學和加州大學圣巴巴拉分校過去幾年在量子計算領(lǐng)域取得的進展，意欲基于微電子制造技術(shù)實現(xiàn)量子計算；美國普林斯頓大學物理副教授杰森·培塔表示，他和加州大學圣巴巴拉分校的科學家利用電子的自旋特性，尋找到了操控電子的方法；利用聲波和超導材料，也可以實現(xiàn)量子計算機的拓展；總部位于加拿大的D-Wave公司的量子芯片使用了特殊的鈮金屬（元素符號Nb，一種類似于銀，柔軟的、可延展的金屬）材料，在低溫下呈超導態(tài)，其中的電流有順時針、逆時針以及順逆同時存在的混合狀態(tài)，而這正可以用來實現(xiàn)量子計算。
眾多方法中，最值得一提的便是阿羅什和瓦恩蘭的做法。阿羅什構(gòu)造了一個腔，把單個光子囚禁在光腔里，實現(xiàn)量子的操控，再往腔里放入單個原子，使原子和光子相互作用，通過腔的損耗來調(diào)控它們的狀態(tài)。瓦恩蘭捕獲離子的方法，是用一系列電極營造出一個電場囚籠，離子如被裝進碗里的玻璃球，而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個離子安靜地待在碗底。他們獨立發(fā)明并優(yōu)化了測量與操作單個粒子的實驗方法，而且單個粒子在實驗過程中還能保持量子的物理性質(zhì)。
中國科學院院士郭光燦這樣評價阿羅什和瓦恩蘭的成就：量子計算這個領(lǐng)域已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)超過當初的技術(shù)，但是起點是他們。我們現(xiàn)在關(guān)注的不是單個離子，而是多個離子的糾纏，比如兩個腔怎么連在一起，這是將來要做的，此外，還會有各種各樣的腔，比如光學腔、物體腔和超導腔等。現(xiàn)在做量子計算機，實際上就是做芯片，把很多離子糾纏在一起，分到各個區(qū)里面，如果這一步能實現(xiàn)，量子計算機有希望在這方面實現(xiàn)實質(zhì)性突破。
過程艱難 但前景樂觀
自“量子計算機”的概念提出到現(xiàn)在的30年間，科學家們紛紛涉足，不管是在理論方面，還是實踐方面，都取得了一些不可忽視的成就。
近幾年來，量子計算機的領(lǐng)域更是全面開花，量子計算機不再是人們“只聞其名，不見其形”的概念型產(chǎn)品。英國布里斯托爾大學等機構(gòu)以奧布賴恩為領(lǐng)導的研究人員更是在新一期美國《科學》雜志上宣布，成功研發(fā)出一種可用于量子計算的硅芯片。奧布賴恩表示，利用這種芯片技術(shù)，10年內(nèi)可能就會研制出超越傳統(tǒng)計算機的量子計算機。
想要研制出實用的量子計算機，需要面臨科學技術(shù)方面的多重挑戰(zhàn)，其中最主要的兩大障礙就是：如何讓粒子長時間保持量子狀態(tài)，即保持相干性；如何讓盡量多的粒子實現(xiàn)共同計算，即實現(xiàn)量子糾纏。阿羅什和瓦恩蘭給出的實驗方法均成功地打破了這些障礙，實現(xiàn)了基礎(chǔ)性的突破。近幾年來，研究人員以他們的研究成果為出發(fā)點，不斷探索，取得了快速進展，可謂前景樂觀。
需要注意的是，量子計算機的出現(xiàn)會將網(wǎng)絡(luò)安全置于非常危險的境地，給現(xiàn)有的社會和經(jīng)濟體系以及國防帶來潛在威脅。目前大部分的網(wǎng)絡(luò)保密是使用“RSA公開碼”的密碼技術(shù)。想要破譯這種密碼，就要對大數(shù)分解質(zhì)因子，這是極其困難的。按照現(xiàn)有的理論計算，分解一個400位數(shù)的質(zhì)因子，用目前最先進的巨型計算機也需要用10億年的時間，而人類的歷史才不過幾百萬年。然而，量子計算機能夠借助其強大的運算功能瞬間完成密碼破譯，這嚴重動搖了RSA公共碼的安全性。
目前，量子計算機給人們的印象不過類似于一個玩具，娛樂價值似乎更高一些，但是在不久的將來，它一定能夠引領(lǐng)計算機世界的潮流。
相關(guān)鏈接
量子計算機發(fā)展簡史
1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）提出“量子計算機”的概念。
1985年，英國牛津大學的D. Deutsch進一步闡述了量子計算機的概念，并且證明了量子計算機比經(jīng)典圖靈計算機具有更強大的功能。
1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能夠完成對數(shù)運算，而且速度遠勝傳統(tǒng)計算機。
2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，它基本符合了量子力學的全部本質(zhì)特性。
2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。
2009年，世界第一臺通用編程量子計算機在美國國家標準技術(shù)研究院誕生。
2010年1月，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。
2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。
【關(guān)鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理
1、引言
在人類剛剛跨入21山_紀的時刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗。它預示著人類的信息處理技術(shù)將會再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項十分緊迫的任務。
2、子計算的物理背景
任何計算裝置都是一個物理系統(tǒng)。量子計算機足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計算任務的裝置。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設(shè)（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉(zhuǎn)移過程）時將會吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產(chǎn)生了一個相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨特的性質(zhì)為量了計算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。
3、量子計算機的特征
量子計算機，首先是能實現(xiàn)量子計算的機器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開關(guān)電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統(tǒng)，它能存儲和處理關(guān)于量子力學變量的信息。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉(zhuǎn)動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術(shù)來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現(xiàn)。單量子位算符實現(xiàn)一個量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發(fā)生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經(jīng)典計算。經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)。經(jīng)典計算機具有如下特點：
a）其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學量的本征態(tài)。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對經(jīng)典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。
b）經(jīng)典計算機內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個性質(zhì)，因此，經(jīng)典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。
相應于經(jīng)典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：
a）量子計算機的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；
b）量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結(jié)果。由此可見，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，經(jīng)典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現(xiàn)的變換相當于一種經(jīng)典計算，所有這些經(jīng)典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結(jié)果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經(jīng)典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優(yōu)越性之一。
4、量子計算機的應用
量子計算機驚人的運算能使其能夠應用于電子、航空、航人、人文、地質(zhì)、生物、材料等幾乎各個學科領(lǐng)域，尤其是信息領(lǐng)域更是迫切需要量子計算機來完成大量數(shù)據(jù)處理的工作。信息技術(shù)與量子計算必然走向結(jié)合，形成新興的量子信息處理技術(shù)。目前，在信息技術(shù)領(lǐng)域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術(shù)，由于運算量龐大，導致實時性差，不能滿足實際需要，因此制約了信息技術(shù)的發(fā)展。量子計算機自然成為繼續(xù)推動計算速度提高，進而引導各個學科全面進步的有效途徑之一。在目前量子計算機還未進入實際應用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領(lǐng)域中的主要發(fā)展方向，其研究重點有以下三個方面；
（1）深刻領(lǐng)悟現(xiàn)有量子算法的木質(zhì)，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經(jīng)典算法中的相應部分，以便盡可能地減少現(xiàn)有算法的運算量；
（2）以現(xiàn)有的量子算法為基礎(chǔ)，著手研究新型的應用面更廣的信息處理量子算法；
（3）利用現(xiàn)有的計算條件，盡量模擬量子計算機的真實運算環(huán)境，用來驗證和開發(fā)新的算法。
5、量子計算機的應用前景
目前經(jīng)典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內(nèi)無法完成。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經(jīng)典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計算機還可用于數(shù)據(jù)庫的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現(xiàn)對未加整理數(shù)據(jù)庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息。
作者簡介：
量子芯片是在傳統(tǒng)半導體工業(yè)的基礎(chǔ)上，充分利用量子力學效應，實現(xiàn)高效率并行量子計算的核心部件。“量子芯片”是未來量子計算機的“大腦”。
新型量子比特在超快操控速度方面與電荷量子比特類似，而其量子相干性方面，卻比一般電荷編碼量子比特提高近十倍。同時，該新型多電子軌道雜化實現(xiàn)量子比特編碼和調(diào)控的方式具有很強的通用性，對探索半導體中極性聲子和壓電效應對量子相干特性的影響提供了新思路。
（來源：文章屋網(wǎng) ）
關(guān)鍵詞:量子力學 量子計算機
中圖分類號:TP39 文獻標識碼:A文章編號:1007-3973 (2010) 02-106-01
1量子力學對計算機技術(shù)發(fā)展的影響
自1646年第一臺電子計算機問世以來,其芯片發(fā)展速度日益加快。按照芯片的摩爾定律 ,其集成度在不久的將來有望達到原子分子量級。在享受計算機飛速發(fā)展帶來的種種便利的同時,我們也不得不面臨一個瓶頸問題,即根據(jù)量子力學理論,在芯片發(fā)展到微觀集成的時候,量子效應會影響甚至完全破壞芯片功能。因此,量子力學對計算機技術(shù)發(fā)展具有決定性作用。
1.1量子力學簡介
量子力學是近代自然科學的最重要的成就之一. 在量子力學的世界里,一個量子微觀體系的狀態(tài)是由一個波函數(shù)來描述的,而非由粒子的位置和動量描述,這就是它與經(jīng)典力學最根本的區(qū)別。
1.2量子力學與量子計算機
量子力學的海森堡測不準原理決定了粒子的位置和動量是不能同時確定的()。當計算機芯片的密度很大時(即很小)將導致很大,電子不再被束縛,產(chǎn)生量子干涉效應,而這種干涉效應會完全破壞芯片的功能。為了克服量子力學對計算機發(fā)展的限制,計算機的發(fā)展方向必然和量子力學相結(jié)合,這樣不僅可以越過量子力學的障礙,而且可以開辟新的方向。
量子計算機就是以量子力學原理直接進行計算的計算機.保羅•貝尼奧夫在1981年第一次提出了制造量子計算機的理論。量子計算機的存儲和讀寫頭都以量子態(tài)存在的,這意味著存儲符號可以是0、1以及它們的疊加。
2量子計算機的優(yōu)點
近年來的種種試驗表明,量子計算機的計算和分析能力都超越了經(jīng)典計算機。它具有如此優(yōu)越的性質(zhì)正在于它的存儲讀取方式量子化。對量子計算機的原理分析可知,以下兩個個特性是令量子計算機優(yōu)越性的根源所在。
2.1存儲量大、速度高
經(jīng)典計算機由0或1的二進制數(shù)據(jù)位存儲數(shù)據(jù),而量子計算機可以用自旋或者二能級態(tài)構(gòu)造量子計算機中的數(shù)據(jù)位,即量子位。不同于經(jīng)典計算機的在0與1之間必取其一,量子位可以是0 或者1,也可以是0和l的迭加態(tài)。
因此,量子計算機的n個量子位可以同時存儲2n個數(shù)據(jù),遠高于經(jīng)典計算機的單個存儲能力; 另一方面量子計算機可以同時進行多個讀取和計算,遠優(yōu)于經(jīng)典計算機的單次計算能力。量子計算機的存儲讀取特性使其具有存儲量大、讀取計算速度高的優(yōu)點。
2.2可以實現(xiàn)量子平行態(tài)
由量子力學原理可知,如果體系的波函數(shù)不能是構(gòu)成該體系的粒子的波函數(shù)的乘積,則該體系的狀態(tài)就處在一個糾纏態(tài),即體系的粒子的狀態(tài)是相互糾纏在一起的。而量子糾纏態(tài)之間的關(guān)聯(lián)效應不受任何局域性假設(shè)限制,這使兩個處在糾纏態(tài)的粒子而言,不管它們離開有多么遙遠,對其中一個粒子進行作用,必然會同時影響到另外一個粒子.正是由于量子糾纏態(tài)之間的神奇的關(guān)聯(lián)效應, 使得量子計算機可以利用糾纏機制,實現(xiàn)量子平行算法,從而可以大大減少操作次數(shù)。
3量子計算機發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢
3.1量子計算機實現(xiàn)的技術(shù)障礙
到目前為止,世界上還沒有真正意義上的量子計算機,它的實現(xiàn)還有許多技術(shù)上的問題。
量子計算機的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在量子迭加態(tài)的關(guān)聯(lián)效應. 然而,環(huán)境對迭加態(tài)的影響以及迭加態(tài)之間的相互作用會使這種關(guān)聯(lián)效應減弱甚至喪失,即量子力學去相干效應.因此應盡量減少環(huán)境對量子態(tài)的作用。同時,萬一由于相干效應引入了錯誤信息,必需能及時改正,這需要進一步的研究和實驗。
另一方面,量子態(tài)不能復制,使得不能把經(jīng)典計算機中很完善的糾錯方法直接移植到量子計算機中來.由于量子計算機在計算過程中不能對量子態(tài)測量, 因為這種測量會改變量子態(tài), 而且這種改變是不可恢復的,因此在糾錯方面存在很多問題。
3.2量子計算機的現(xiàn)狀
由于上述兩種原因,現(xiàn)在還無法確定未來的量子計算機究竟是什么樣的, 目前科學家門提出了幾種方案.
第一種方案是核磁共振計算機. 其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0 和1 兩種狀態(tài),重點在于實現(xiàn)自旋狀態(tài)的控制非操作,優(yōu)點在于盡可能保證了量子態(tài)和環(huán)境的較好隔離。
第二種方案是離子阱計算機. 其原理是將一系列自旋為1/2 的冷離子被禁錮在線性量子勢阱里, 組成一個相對穩(wěn)定的絕熱系統(tǒng),重點在于由激光來實現(xiàn)自旋翻轉(zhuǎn)的控制非操作其優(yōu)點在于極度減弱了去相干效應, 而且很容易在任意離子之間實現(xiàn)n 位量子門。
第三種方案是硅基半導體量子計算機. 其原理是在高純度硅中摻雜自旋為1/2的離子實現(xiàn)存儲信息的量子位,重點在于用絕緣物質(zhì)實現(xiàn)量子態(tài)的隔絕,其優(yōu)點在于可以利用現(xiàn)代高效的半導體技術(shù)。
此外還有線性光學方案, 腔量子動力學方案等.
3.3量子計算機的未來
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,量子計算機也會逐漸走向現(xiàn)實研制和現(xiàn)實運用。量子計算機不但于未來的計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān),更重要的是它與國家的保密、電子銀行、軍事和通訊等重要領(lǐng)域密切相關(guān)。實現(xiàn)量子計算機是21 世紀科學技術(shù)的最重要的目標之一。
參考文獻:
[1]胡連榮. 速度驚人的量子計算機[J].知識就是力量
[2]付剛.“量子計算機”解密[N].中安在線-安徽日報
[3]譚華海.量子計算機研究的最新進展[J].教育部科技發(fā)展中心內(nèi)刊.
量子密碼應運而生
量子計算的原理與傳統(tǒng)計算機采用的原理有很大不同，傳統(tǒng)計算機采用單路串行操作，而量子計算機采用多路并行操作，它們運算速度的差異就如同萬只飛鳥同時升上天空與萬只蝸牛排隊過獨木橋的區(qū)別。
20世紀70年代，英國和美國最早開始對量子計算的研究。近年來，量子計算的理論和實踐都相繼取得重大進展，產(chǎn)生了多種新的量子算法，研制了多種量子計算機原型。
科學家預測，未來10～20年將研制成功103～104量子比特的大型量子計算機，其運算能力可以在幾分鐘內(nèi)破譯現(xiàn)有任何采用非對稱密鑰系統(tǒng)生成的密碼。
面對量子計算未來可能隨時“秒殺”傳統(tǒng)密碼的危險，科學家致力于尋找不基于數(shù)學問題，能有效抵抗量子計算攻擊的新型密碼體制。解鈴還須系鈴人，同樣基于量子信息技術(shù)的量子密碼應運而生，成為對抗量子計算的“神器”。
又一個可能的“技術(shù)差”
二戰(zhàn)中，英國破譯德軍ENGMA密碼，獲知其即將轟炸考文垂市，但為保守德軍密碼已被破譯的秘密，英國斷然犧牲考文垂這個重要工業(yè)城市，不發(fā)出防空警報任由德軍轟炸；美軍在中途島海戰(zhàn)的勝利，以及擊落山本五十六座機等影響戰(zhàn)爭進程的重大事件，與其成功破譯日軍“紫密”有直接關(guān)系。一些專家們甚至估計，盟軍在密碼破譯上的成功至少使二戰(zhàn)縮短了8年。
當前，戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)已成為連接人與武器、武器與武器的技術(shù)紐帶，構(gòu)成了信息化軍隊的神經(jīng)中樞。偵察預警、指揮協(xié)同、武器控制、后勤保障等作戰(zhàn)活動均離不開網(wǎng)絡(luò)的支持。安全可靠的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)是保證自身作戰(zhàn)體系穩(wěn)定，在體系對抗中謀取勝勢的重要前提，而戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的安全又十分依賴于網(wǎng)絡(luò)通信密碼提供的“安全屏障”。
一個國家的軍隊一旦率先實現(xiàn)量子密碼和量子計算的武器化，并在戰(zhàn)爭中投入使用，將與對手形成巨大的“技術(shù)差”，在保持自身網(wǎng)絡(luò)通信絕對安全的同時，可隨時破譯對方網(wǎng)絡(luò)通信密碼，洞悉對手的一舉一動，從而占據(jù)絕對信息優(yōu)勢，甚至可以直接癱瘓和控制對方網(wǎng)絡(luò)，由此將置作戰(zhàn)對手于極為被動的不利地位，戰(zhàn)局可能出現(xiàn)“一邊倒”的情況。
以超常措施推進軍事應用
意大利軍事家杜黑指出：“勝利只向那些能預見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應的人微笑。”面對量子信息技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)，只有未雨綢繆，盡早規(guī)劃，提前部署，才能在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)先機和主動，避免對手利用技術(shù)突然性陷我于被動。
目前，量子密碼已經(jīng)從實驗室演示性研究邁向?qū)嶋H應用。發(fā)達國家軍隊已把量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。例如，美國防高級研究計劃局專門制定“量子信息科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”、研發(fā)量子芯片的“微型曼哈頓”計劃等。美國正加速推進量子信息技術(shù)的實際應用，美國白宮和五角大樓已安裝量子通信系統(tǒng)并已投入使用。英、法、德、日等國軍隊也相繼制定實施一系列發(fā)展量子信息技術(shù)的計劃。
【關(guān)鍵詞】計算機；發(fā)展；應用
【中圖分類號】TP309.5 【文獻標識碼】B 【文章編號】1009-5071(2012)08-0249-01
如今計算機的發(fā)展已經(jīng)進入了人工智能時代，新型計算機的時代又將是新一輪的計算機革命，這又將對社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。
1 新型計算機系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)
信息時代對信息的獲得能力決定了一個國家或者地區(qū)在這個時代的發(fā)展能力。全球化已經(jīng)越來越迅速的今天，世界各國都在加緊研發(fā)新型的計算機，計算機的各個方面都出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等也將在不久的將來進入我們生活的各個領(lǐng)域，甚至有些已經(jīng)進入了我們的生活。
1.1 量子計算機：量子計算機的研發(fā)是基于量子效應理論開發(fā)的，它的運算工作原理是：利用鏈狀分子聚合物的特性來表示信號的開和關(guān)，并用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使得信息沿著聚合物移動，進行運算。量子計算機的存儲單位比以往的計算機都要小許多，是用量子位存儲的。具體的表現(xiàn)就是一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，這樣量子計算機的優(yōu)勢就是比存儲量就變的非常龐大，對于工作要求存儲量大的電腦用戶來說是一個極佳的選擇。目前正在研發(fā)的量子計算機類型主要有3種，第一種是核磁共振量子計算機，第二種是硅半導體量子計算機，第三種是離子阱量子計算機。科學家們預測，量子計算機將在不久的2030年獲得普及。
1.2 光子計算機：光子計算機也可以被稱作是全數(shù)字計算機，它的工作原理是以光子代替電子，光互連的特性替代導線的互連，用光硬件代替電腦中的硬件設(shè)備，用光運算的方式代替電運算的方式進行運算。這種計算機的優(yōu)勢是信息傳遞的平行通道密度大，而光具有高速、并行的特性，這也就決定了光子計算機并行處理能力強大，運算速度遠超人們的想象。
1.3 生物計算機：生物計算機亦稱作DNA分子計算機，它的運算過程簡單來說就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學介質(zhì)相互作用的過程。計算過程中需要的轉(zhuǎn)換開關(guān)是用酶來擔任的，程序的表示也將在酶合成系統(tǒng)與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中變得極其明顯。生物計算機的運算速度比人腦的運算速度要快100萬倍，也就是說生物計算機完成一項運算需要的時間僅僅是10微微秒。這種計算機的優(yōu)勢是驚人的存儲量，根據(jù)計算，1立方米的DNA溶液可以存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。
1.4 納米計算機：納米作為一種計量單位，許多人對其并不陌生，但是對其的具體感覺卻并不直觀，它的長度大約是一個氫原子的直徑的10倍，它的具體表述就是10-9米。現(xiàn)在納米技術(shù)在計算機領(lǐng)域正在從微電子機械系統(tǒng)中被運用，這個系統(tǒng)是把傳感器、電動機和計算機的個各種處理器放在了同一個芯片上。這種用納米技術(shù)的計算機芯片非常微小，體積一般不過就是數(shù)百個原子的大小。它的優(yōu)點就是幾乎不需要消耗任何能源，性能更是比現(xiàn)在的計算機要強大的多。
2 計算機技術(shù)發(fā)展
2.1 現(xiàn)代微型處理器技術(shù)發(fā)展：計算機性能的提升關(guān)鍵技術(shù)就是微型處理器的發(fā)展，這種技術(shù)追求的就是把處理器里的晶體線寬和尺寸的減小。要實現(xiàn)減小的目的，一般是通過用較短的波長的曝光光源來掩膜曝光，使做出的聯(lián)通晶體管的導線和刻蝕于硅片上的晶體管更細更小的方法來實現(xiàn)的，這種技術(shù)到現(xiàn)在一般是用紫外線作為曝光光源，不管有個限制難題就是線寬小于或等于0.10流明的情況下會受到阻礙，也因此現(xiàn)在的計算機技術(shù)已經(jīng)不再追求利用紫外線做光源來提升計算機的性能發(fā)展方向了。
2.2 以納米為主的電子科學技術(shù)：當今計算機技術(shù)的發(fā)展障礙是處理速度和集成度，盡管現(xiàn)在的電子計算機的電子元件得到了有效的改善，但是相對于現(xiàn)在要求電子計算機的高速化，智能化，和微型化的要求是遠遠不夠的， 所以今后計算機的技術(shù)發(fā)展也不再是局限在單純的縮小尺寸方面，還要用其他的創(chuàng)新手段來完善計算機技術(shù)。
2.3 分組交換技術(shù)的發(fā)展：分組交換技術(shù)是把需要傳送的數(shù)據(jù)劃分為一些等長的部分，每個部分叫做一個數(shù)據(jù)段的技術(shù)。在這些數(shù)據(jù)段的前面添加一個控制信息組成首部，就可以構(gòu)成一個分組。分組通過首部指明了需要發(fā)往的地址，然后節(jié)點交互機根據(jù)分組的地址，將他們發(fā)往目的地。整個過程就是分組交換過程，這種技術(shù)很好的提升了通信的效率。
3 計算機技術(shù)發(fā)展方向
現(xiàn)在的計算機在人們的生活中已經(jīng)扮演了一個非常重要的角色，但是它的角色只會變得越來越重要，因為以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，人類將進入智能化、物聯(lián)網(wǎng)的時代。
3.1 納米技術(shù)需要大力發(fā)展：納米技術(shù)不受到傳統(tǒng)的計算機集成和處理速度的限制，納米技術(shù)就成了今后計算機技術(shù)大力發(fā)展的一個方向了。今后出現(xiàn)的量子計算機和生物計算機的發(fā)展都有賴于納米技術(shù)在計算機領(lǐng)域的應用和發(fā)展，為推動今后計算機的運算速度和存儲能力遠遠超越現(xiàn)在的計算機，大力發(fā)展納米技術(shù)也成了一個必要的選擇。
3.2 著力改善計算機的體系結(jié)構(gòu)：計算機是一個具有不同功能的體系結(jié)構(gòu)，也是一個組合體。當代幾乎所有的大型電腦和微型電腦都有可以同時處理不同問題的能力，這種功能就是是當前計算機的主流結(jié)構(gòu)：并行計算。另外大型電腦有一個群集的發(fā)展趨勢，使用戶對相融性和可靠性的需求獲得提高。
3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動計算機智能化、物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展：大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有助于計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，人們今后進入智能化、物聯(lián)網(wǎng)時代都要依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。今天的人們之所以離不開計算機，一個主要的原因就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)，人們在家里都可以實現(xiàn)購物，娛樂，獲取信息等目的。
